CN204857768U - 紫外半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种紫外半导体发光器件，其包括主要由n型层、量子阱层和p型层组成的外延结构层以及p型、n型电极，所述p型层上还依次设有石墨烯-Ag纳米复合层和导电反射层，所述石墨烯-Ag纳米复合层与p型层形成欧姆接触。进一步的，所述石墨烯-Ag纳米复合层包括：形成于p型层上的Ag纳米材料层，所述Ag纳米材料层包含Ag纳米点和/或Ag纳米线以及覆盖在所述Ag纳米材料层上的石墨烯薄膜；或者，石墨烯量子点负载Ag纳米粒子复合体层。本实用新型的半导体发光器件具有外部量子效率高、出光效率高、开启电压低、散热性好、稳定性高等优点，且制备工艺简单可控，成本低廉，适于工业化生产。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种半导体发光元件，特别是一种紫外半导体发光器件及其制造方法，该半导体发光器件可用于交通、医疗、显示及白光照明等领域，属于光电子技术领域。
背景技术
GaN基紫外/深紫外发光二极管(LED)具有体积小、寿命长、效率高、环保、节能的潜在优势，在工业固化、消毒、水净化、医疗和生物化学、高密度光学记录等方面取代现有汞灯、气体激光器等紫外光源，有着重要的应用前景和广阔的市场需求。
LED芯片通常分为正装、倒装和垂直结构。现有的蓝光和白光LED技术在正装结构中使用ITO作为透明导电层材料，倒装结构则采用Ag作为高反射层材料，但它们在紫外波段都存在吸光较大的问题。
为了解决紫外吸光问题，在正装紫外LED中，有研究采用石墨烯、碳纳米管和Ag纳米复合结构做透明导电层，从而可以提高紫外LED性能。如公开专利(公开号CN104009141A)通过将Ag纳米线均匀悬涂在碳纳米管薄膜上形成复合结构作为电流扩展层，提高紫外LED的光电转换效率。碳纳米管薄膜透光率约为80％左右时，方阻约为103Ω/sq数量级；而单层及双层石墨烯的透光率均在95％以上，方阻约为102Ω/sq数量级。通过转移的石墨烯薄膜覆盖银纳米线形成的透明导电极层使紫外LED性能进一步提高，在375nm下光透率86.3％，表面电阻约30Ω/sq，降低了紫外LED工作电压并提升了出光效率(参考文献"Graphene-silvernanowirehybridstructureasatransparentandcurrentspreadingelectrodeinultravioletlightemittingdiodes."AppliedPhysicsLetters,2013,103(5))。
然而上述透明导电层仍然存在面电阻较大，从而导致电流扩展能力有限；由电极注入的电流需横向流过透明导电层，导致电流拥挤。使正装紫外LED的开启电压较大、出光效率低。
同时，正装紫外LED存在散热问题。通常由于紫外LED的效率较低，因而需求的光功率通常较大，导致芯片的发热量较大。而蓝宝石衬底导热性较差(35W/m·K)，加上固晶导致的热阻，因此正装结构的紫外LED芯片热阻较大，不利于紫外LED的光效和可靠性提升。
倒装与垂直结构可以通过加入金属导电反射层有效解决正装LED的上述不足。将金属导电反射层作为电流扩展层，使电流从电极向有源区扩散的更均匀；同时将热直接传导到热导率较高的基板，再通过散热器散热，其热阻比正装结构小得多，因此更有潜力和应用价值。
然而，倒装和垂直结构的紫外LED必需采用高反射、低电阻的p型欧姆接触，从而提高器件光效，现有技术还缺乏有效解决方案。Ag在紫外波段反射率显著下降以及ITO对紫外光的强吸收，已不合适作为倒装和垂直结构的紫外LED的p型欧姆接触材料，同时，在紫外波段有很高反射率的金属Al，很难与p-GaN或p-AlGaN形成好的欧姆接触。
发明内容
本实用新型的主要目的在于提供一种具有高反射、低电阻的p型欧姆接触等优点的紫外半导体发光器件，以克服现有技术中的不足。
本实用新型的另一目的在于提供一种制造所述紫外半导体发光器件的方法。
为实现前述发明目的，本实用新型采用的技术方案包括：
一种紫外半导体发光器件，包括主要由n型层、量子阱层和p型层组成的外延结构层以及p型、n型电极，其特征在于所述p型层上还依次设有石墨烯-Ag纳米复合层和导电反射层，所述石墨烯-Ag纳米复合层与p型层形成欧姆接触。
作为较为优选的实施方案之一，所述石墨烯-Ag纳米复合层包括：
形成于p型层上的Ag纳米材料层，所述Ag纳米材料层包含Ag纳米点和/或Ag纳米线；
以及，覆盖在所述Ag纳米材料层上的石墨烯薄膜。
在一更为具体的实施方案之中，所述Ag纳米材料层为Ag纳米点层。例如，所述石墨烯-Ag纳米复合层为石墨烯薄膜覆盖薄层Ag退火得到的Ag纳米点层。
在一更为具体的实施方案之中，所述Ag纳米材料层为Ag纳米线层。
较为优选的，前述Ag纳米点的粒径为10nm～1μm。
较为优选的，前述Ag纳米线的直径为5～100nm，长度为5～100μm。
较为优选的，前述石墨烯薄膜层数为单层或多层，例如2～10层。
作为较为优选的实施方案之一，所述石墨烯-Ag纳米复合层包括石墨烯量子点负载Ag纳米粒子复合体层。
进一步的，其中石墨烯量子点负载Ag纳米粒子复合体的粒径优选为5～100nm。
作为较为优选的实施方案之一，所述石墨烯-Ag纳米复合层上依次形成有中间层和导电反射层。
作为较为优选的实施方案之一，所述Ag纳米材料层与石墨烯薄膜之间还形成有中间层。
在一具体实施方案之中，所述外延结构层可包括依次形成的缓冲层、n型AlGaN层、多量子阱层和p型层等。
进一步的，所述导电反射层与p型电极电性连接。
进一步的，所述导电反射层可以选用但不限于金属反射层，例如Al反射层，但不限于此。
较为优选的，前述导电反射层的厚度为0.1～3μm。
进一步的，所述中间层优选为Cr层，但不限于此。
进一步的，所述p型层优选为p-AlGaN层，但不限于此。
进一步的，所述半导体发光器件优选为倒装结构或垂直结构，但不限于此。
进一步的，所述半导体发光器件为GaN基LED芯片。
一种制造所述紫外半导体发光器件的方法，包括：
在衬底上生长外延结构层；
对于所述外延结构层进行加工，并在n型层上形成n型电极，在p型层上形成石墨烯-Ag纳米复合层，且使石墨烯-Ag纳米复合层与p型层形成欧姆接触；
以及，在石墨烯-Ag纳米复合层上形成导电反射层，之后在导电反射层上制作p型电极。
在一较为具体的实施方案之中，一种GaN基紫外LED芯片的制造方法可以包括以下步骤：
首先，在衬底上利用MOCVD工艺，生长包括缓冲层、n型层、多量子阱层、p型接触层在内的主要结构层。
然后，将获得的外延片经过光刻、刻蚀、金属层沉积等系列工艺步骤，在LED芯片上形成n型电极，在p型层上制作石墨烯-Ag纳米复合层，在石墨烯-Ag纳米复合层上沉积导电反射层Al或Al与中间层形成的组合结构层，在导电反射层上制作p型电极，以及，将外延片进行减薄、裂片，形成芯片。
进一步，n、p型电极可以通过凸点、焊料、导电胶或金属焊线与外部电性连接。
与现有技术相比，本实用新型的优点包括：
(1)通过采用倒装或垂直结构，有效降低本实用新型紫外半导体发光器件的热阻及其工作时的结温，提高器件光效和可靠性；
(2)采用金属作为导电反射层，可有效克服透明导电层面电阻较大的缺点，使电流由电极向有源区扩散时更加均匀，改善电流的扩展；
(3)通过在p型层上的石墨烯-Ag纳米复合层，并结合导电反射层，使之同时具有低的欧姆接触电阻和在紫外波段高的反射率；同时因石墨烯的存在，复合结构与反射层之间的互扩散受到抑制，提高了器件的接触、反射性能及可靠性，从而使形成的紫外半导体发光器件具有外部量子效率高、出光效率高、开启电压低、散热性好、可靠性高等优点；
(4)本实用新型紫外半导体发光器件的制备工艺简单可控，成本低，适于工业化生产。
附图说明
图1是本实用新型实施例1中一种GaN基紫外LED芯片的结构示意图；
图2是本实用新型实施例2中一种GaN基紫外LED芯片的结构示意图；
图3是本实用新型实施例3中一种GaN基紫外LED芯片的结构示意图；
图4是本实用新型实施例4中一种GaN基紫外LED芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和若干具体实施案例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。
实施例1参照图1，该GaN基紫外LED芯片的结构由下往上依次为：蓝宝石衬底101，外延层包括AlN缓冲层102、n-AlGaN层103、n-AlGaN电子扩展层104、多量子阱层105、AlGaN电子阻挡层106、p-AlGaN层107，以及石墨烯薄膜覆盖Ag纳米点层108(其中Ag纳米点层108a，石墨烯薄膜层108b)、导电反射层109、n型电极110、p型电极111。
以下详细说明该GaN基紫外LED芯片的制造步骤，其包括：
步骤S1：在蓝宝石衬底上，利用MOCVD工艺，依次生长外延层，外延层依次包括厚约2.0μm的GaN缓冲层、厚约2.0μm的n-AlGaN层、厚约200nm的n-AlGaN电子扩展层、厚约100nm的InGaN/AlGaN多量子阱层、厚约20nm的AlGaN电子阻挡层、厚约0.1μm厚的p-AlGaN接触层；
步骤S2：在生长有外延层的衬底(晶圆)上，通过光刻和刻蚀工艺从p-AlGaN层刻蚀至n-AlGaN层，形成n-AlGaN台面；
步骤S3：通过光刻、电子束蒸发、剥离、退火工艺，在n-AlGaN台面上形成Ti(厚约50nm)/Al(厚约300nm)欧姆接触；
步骤S4：在p-A1GaN层上用电子束蒸发的方法沉积薄层Ag(Ag厚度1nm～200nm，优选30nm)，在N2气氛中300～500℃(优选400℃)条件下退火10s～30min(优选1min)形成Ag纳米点，其平均粒径大小约为250nm；
步骤S5：在铜箔上用CVD法制备石墨烯，旋涂厚约1.5μm的PMMA后，然后用FeCl3溶液腐蚀铜箔衬底，待腐蚀彻底后，用去离子水将腐蚀形成的PMMA/石墨烯薄膜清洗干净，再将PMMA/石墨烯薄膜转移至经步骤S4处理后的外延片表面上；
步骤S6：用热丙酮溶液除去PMMA，然后进行清洗，再通过光刻和氧等离子体刻蚀实现石墨烯薄膜的图形化(参考文献"Large-scalepatternedmulti-layergraphenefilmsastransparentconductingelectrodesforGaNlight-emittingdiodes."Nanotechnology,2010,21(17))；
步骤S7：接着用电子束蒸发的方法沉积厚约500nm的Al反射层，之后在样品表面沉积SiO2钝化层；
步骤S8：通过光刻腐蚀工艺，在p型和n型区域钝化层上开接触孔，通过光刻、电子束蒸发、剥离工艺在接触孔上形成Ti(厚约50nm)/Au(厚约250nm)电极，之后将外延片减薄、抛光，切割劈裂后形成分立的LED芯片。
进一步，LED芯片上的电极可以通过凸点或焊料与倒装基板上焊盘实现电性连接。
实施例2参照图2，该GaN基紫外LED芯片的结构由下往上依次为：碳化硅衬底201，外延层包括AlN缓冲层202、n-AlGaN层203、n-AlGaN电子扩展层204、多量子阱层205、p-AlGaN电子阻挡层206、p-GaN层207，以及包覆石墨烯量子点负载Ag纳米粒子层208(石墨烯量子点负载Ag纳米粒子复合体层208a，中间层208b)、导电反射层209、n型电极210、p型电极211。
以下详细说明该GaN基紫外LED芯片的制造步骤，其包括：
步骤S1：将纯化的石墨烯量子点和硝酸银混合溶液经加热回流制得石墨烯量子点负载Ag纳米粒子复合体(参考文献"SynthesisofSilverNanoparticlesSupportedonGrapheneQuantumDotsforOxygenReductionReaction,"JournalofElectrochemistry,vol.20,pp.353-359,2014)；
步骤S2：在碳化硅衬底上，利用MOCVD工艺，依次生长外延层，外延层依次包括厚约2.0μm的AlN缓冲层、厚约2.0μm的n-AlGaN层、厚约200nm的n-AlGaN电子扩展层、厚约100nm的InGaN/AlGaN多量子阱层、厚约20nm的AlGaN电子阻挡层、厚约0.1μm的p-GaN接触层；
步骤S3：通过光刻和刻蚀工艺从p-GaN层刻蚀至n-AlGaN层，形成n-AlGaN台面，在n-AlGaN台面上制备n型电极；
步骤S4：取步骤S1制得的石墨烯量子点负载Ag纳米粒子复合体，均匀旋涂在p-GaN层上，石墨烯量子点负载Ag纳米粒子复合体平均粒径约30nm；
步骤S5：接着用电子束蒸发的方法沉积Cr(Cr厚度约25～50nm，优选约30nm)中间层，厚约1μm的Al反射层，在Al反射层上制备p型电极；
步骤S6：加金属层Ti(厚约50nm)/Au(厚约250nm)，经钝化、开口形成电极，电极可以通过凸点、焊料、导电胶或金属焊线与外部电性连接。
实施例3参照图1，该GaN基紫外LED芯片的结构由下往上依次为：蓝宝石衬底301，外延层包括AlN缓冲层302、n-AlGaN层303、n-AlGaN电子扩展层304、多量子阱层305、AlGaN电子阻挡层306、p-AlGaN层307，石墨烯薄膜覆盖银纳米线层308(Ag纳米线层308a，石墨烯薄膜层308b)、导电反射层309、n型电极310、p型电极311。
以下详细说明该GaN基紫外LED芯片的制造步骤，其包括：
步骤S1：在蓝宝石衬底上，利用MOCVD工艺，依次生长外延层，外延层依次包括厚约2.0μm的AlN缓冲层、厚约2.0μm的n-AlGaN层、厚约200nm的n-AlGaN电子扩展层、厚约100nm的InGaN/AlGaN多量子阱层、厚约20nm的AlGaN电子阻挡层、厚约0.1μm的p-AlGaN接触层；
步骤S2：通过光刻和刻蚀工艺从p-AlGaN层刻蚀至n-AlGaN层，形成n-AlGaN台面，在n-AlGaN台面上制备n型电极；
步骤S3：在p-AlGaN层上旋涂Ag纳米线薄膜，Ag纳米线薄膜直径约为20nm、长度约为10～30μm；
步骤S4：在铜箔上用CVD法制备石墨烯，旋涂PMMA后，然后用FeCl3溶液腐蚀腐蚀铜箔衬底，待腐蚀彻底后，用去离子水将腐蚀形成PMMA/石墨烯薄膜清洗干净，再将PMMA/石墨烯薄膜转移至含Ag纳米线的p-A1GaN层上；
步骤S5：用热丙酮溶液除去PMMA，然后进行清洗,再通过光刻和氧等离子体刻蚀实现石墨烯薄膜的图形化
步骤S6：再用电子束蒸发的方法沉积厚约1.5μm的Al反射层，在Al反射层上制备p型电极；
步骤S7：加金属层Ti(厚约50nm)/Au(厚约200nm)，经钝化、开口形成电极，电极可以通过凸点、焊料、导电胶或金属焊线与外部电性连接。
实施例4参照图4，该GaN基紫外LED芯片的结构包括：n-GaN401、量子阱层402、p-GaN层403、石墨烯薄膜覆盖Ag纳米点层404(Ag纳米点层404a，石墨烯薄膜层404b)、导电反射层405、p型电极406、金属键合层407、金属基板408、n型电极409。
以下详细说明该GaN基紫外LED芯片的制造步骤，其包括：
步骤S1：在蓝宝石衬底上用MOCVD工艺依次生长厚约2.0μm的GaN缓冲层、厚约2.0μm的n-GaN层、厚约100nm的InGaN/AlGaN多量子阱层、厚约0.1μm的p-GaN层；
步骤S2：在p-GaN层上用电子束蒸发的方法沉积薄层Ag(Ag厚度约1nm～200nm，优选约40nm)，在N2气氛中300～500℃(优选约400℃)条件下退火约1min形成Ag纳米点,平均粒径大小约为300nm；
步骤S3：在铜箔上用CVD法制备石墨烯，旋涂PMMA后，然后用FeCl3溶液腐蚀铜箔衬底腐蚀铜箔衬底，待腐蚀彻底后，用去离子水将腐蚀形成PMMA/石墨烯薄膜清洗干净，再将PMMA/石墨烯薄膜转移至含Ag纳米点的p-GaN层上；
步骤S4：用热丙酮溶液除去PMMA后，然后进行清洗，再通过光刻和氧等离子体刻蚀实现石墨烯薄膜图形化，去除单元芯片之间的石墨烯；
步骤S5：再用电子束蒸发的方法沉积厚约2.5μm的Al反射层；
步骤S6：在Al反射层表面进一步沉积Ti(厚约50nm)/Au(厚约200nm)金属层,光刻、腐蚀，形成每个芯片的p电极,再蒸镀金属Au/Sn，进一步光刻、腐蚀，形成每个芯片的键合层；
步骤S7：沉积SiO2，并光刻腐蚀去除芯片间区域，以此作为保护层刻蚀InGaN/AlGaN材料到蓝宝石，形成芯片之间的隔离槽，然后腐蚀去除表面SiO2；
步骤S8：以键合层为接触面与Cu/W合金基板实现大面积的晶片键合；
步骤S9：利用KrF准分子激光从蓝宝石衬底一侧对每个芯片进行逐个扫描剥离蓝宝石衬底；
步骤S10：利用等离子体刻蚀除去GaN缓冲层，对n-GaN进行表面粗化，通过光刻、电子束蒸发、剥离方法在n-GaN层表面制备Ti(50nm)/Al(250nm)欧姆接触电极，划片后得到具有金属支撑垂直结构的LED芯片。
在前述实施例1-4中，导电反射层面的电阻均小于0.1Ω/sq，并且石墨烯-Ag纳米复合层与导电反射层组成的反射结构对于375nm光反射率平均约84％，而对于280nm光反射率平均约80％。另外经测试发现，实施例1-4所形成的LED芯片还均具有外部量子效率高、出光效率高、开启电压低、散热性好、可靠性高等优点。
应当理解，本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。
Claims (9)
1.一种紫外半导体发光器件，包括主要由n型层、量子阱层和p型层组成的外延结构层以及p型、n型电极，其特征在于所述p型层上还依次设有石墨烯-Ag纳米复合层和导电反射层，所述石墨烯-Ag纳米复合层与p型层形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的紫外半导体发光器件，其特征在于所述石墨烯-Ag纳米复合层包括：
形成于p型层上的Ag纳米材料层，以及，覆盖在所述Ag纳米材料层上的石墨烯薄膜，所述Ag纳米材料层包含Ag纳米点和/或Ag纳米线；
或者，石墨烯量子点负载Ag纳米粒子复合体层。
3.根据权利要求2所述的紫外半导体发光器件，其特征在于所述Ag纳米点的粒径为10nm～1μm，所述Ag纳米线的直径为5～100nm、长度为5～100μm，所述石墨烯量子点负载Ag纳米粒子复合体层中的石墨烯量子点负载Ag纳米粒子复合体的粒径为5～100nm。
4.根据权利要求2或3所述的紫外半导体发光器件，其特征在于所述Ag纳米材料层与石墨烯薄膜之间还形成有中间层，
或者，所述石墨烯-Ag纳米复合层上依次形成有中间层和导电反射层。
5.根据权利要求1所述的紫外半导体发光器件，其特征在于所述导电反射层厚度为0.1～3μm，并且所述导电反射层包括Al层。
6.根据权利要求4所述的紫外半导体发光器件，其特征在于所述中间层包括Cr层。
7.根据权利要求1所述的紫外半导体发光器件，其特征在于所述p型层包括p-AlGaN层。
8.根据权利要求1所述的紫外半导体发光器件，其特征在于所述半导体发光器件为倒装结构或垂直结构。
9.根据权利要求1-3、6-8中任一项所述的紫外半导体发光器件，其特征在于所述半导体发光器件为GaN基LED芯片。
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